Исследование возможности использования промышленных отходов как наполнителей полимерных композитов

Рассмотрены вопросы применимости волокнистых и дисперсных промышленных отходов — окси-ПАН и шлама шлифовки стекла в качестве наполнителя термопластичной матрицы при производстве геосинтетических материалов. Проведена оценка физико-химических характеристик отходов шлама шлифовки стекла. Показан характер и степень улучшения деформационно-прочностных характеристик ПКМ при добавлении в них отходов окси-ПАН.

Ключевые слова: геосинтетические материалы, наполнитель, ПЭНД, полимерная матрица, отходы шлифовки стекла, окси-ПАН, волокна, композиционный материал.

В настоящее время при строительстве промышленных и инфраструктурных объектов все более активно используются геосинтетические материалы. Связано это со значительным технико-экономическим эффектом, получаемым при их использовании. Объемы производства, виды и сферы применения геосинтетических материалов (ГМ) постоянно расширяются. И это связано не только с экономическим эффектом, но и с тем, что с появлением ГМ стало возможным возведение объектов в тех местах, где сделать это было невозможно или нерентабельно [1–3]. Соответственно по требованию практики были разработаны нормативные документы, регламентирующие большой комплекс показателей свойств ГМ и их применение [4–6]. Кроме того, несмотря на наличие достаточного количества нормативных документов, в них присутствует ряд недостатков, отмеченных в работе [7]. Авторы указывают на то, что результаты расчетов расходятся с реальными данными по причине вероятностного характера изменения параметров дорожных одежд.

Практика показывает, что несмотря на достаточно высокие потребительские качества ГМ, проблема обеспечения их максимальной устойчивости и долговечности в конкретных условиях находится на стадии исследований. Связано это с большим разнообразием решаемых задач и соответственно условий применения этих материалов [7–9].

Очевидно, что наибольшая потребность в геосинтетических материалах будет наблюдаться в сфере дорожных конструкций, так как объемы строительства, которые необходимо осуществить в этой сфере, значительно превосходят другие отрасли. Естественно, при такой потребности в ГМ они должны быть произведены из легкодоступных, многотоннажных и относительно дешевых материалов. Поэтому чаще всего ГМ для дорожного полотна изготавливают из полиолефинов, которые в достаточной мере обладают устойчивостью и долговечностью, а также приемлемыми механическими свойствами [10–11]. Но несмотря на ряд положительных характеристик, в ряде случаев при жестких условиях окружающей среды, длительности и величины нагрузки механические свойства полиолефинов оказываются недостаточными для решения поставленных задач [10–14].

Одной из таких проблем является низкая устойчивость ГМ к механическим повреждениям во время установки. Для учета снижения качества ГМ по причине таких повреждений предлагается внедрение понижающего коэффициента при определении долговременной прочности различных видов геосинтетических материалов [12].

Также весьма важны усталостные свойства геосинтетических материалов, т. е. их реакция на воздействие длительной нагрузки (ползучесть). На основе исследований ползучести полиэтилена высокой плотности предложена эмпирическая поправка к уравнению механических состояний, а также показано, что структура ГМ сильно влияет на его вязкоупругие свойства [13, 14].

Как показывают исследования [10, 11], добавление в ГМ волокнистых полимерных наполнителей значительно улучшает их физические характеристики при минимальных технических и экономических издержках. Несмотря на то, что ранее проведенные исследования показали улучшение многих качественных показателей полимерных материалов при добавлении в них волокнистых наполнителей, на сегодняшний день отмечается малое количество публикаций, посвященных теме модификации состава ГМ с применением волокнистых наполнителей.

С учетом все более широкого применения ГМ и роста объема их производства проведение комплексных исследований, направленных на решение проблемы устойчивости и долговечности ГМ путем добавления в их состав волокнистых материалов и улучшения таким образом их потребительских качеств, является весьма актуальной задачей.

Для ГМ общетехнического назначения обычно используют волокна и дисперсные частицы неорганического или минерального происхождения. В большинстве случаев данные компоненты требуют дополнительных операций по их подготовке перед использованием. В связи с этим в последние годы значительно возрос интерес к использованию промышленных отходов в качестве наполнителей для ГМ. Среди них можно выделить отходы окси-ПАН и шлам шлифовки стекла. Использование промышленных отходов решает две немаловажные задачи: позволяет разработать композитные материалы с более низкой себестоимостью, а также утилизировать отходы, которые сложно переработать.

В качестве объектов исследования были выбраны: полиэтилен низкого давления экструзионный марки ПЭНД 273–73 (ГОСТ 16338–85); разноокисленные полиакрилонитрильные волокна плотностью 1,17–1,41 г/см ³ , представляющие собой резаные отходы стадии термостабилизации производства углеродных волокон марки УК 54000/017 текс длиной 1–18 мм производства ООО «Аргон», образцы шлама шлифовки стекла, полученные из различных предприятий г. Уральска, а также композиционные полимерные пленки с содержанием волокнистого наполнителя 1, 5, 10 %.

Отходы окси-ПАН образуются на стадии окисления полиакрилонитрильного волокна, используемого при производстве углеродных волокон, и представляют собой разноокисленный полиакрилонитрильный жгут с изменяющейся плотностью в пределах 1,17–1,41 г/см ³ в зависимости от уровня окисления. Длина резки волокон — 1–18 мм. Отличительной особенностью данного вида отходов является его хорошая адгезионная совместимость с полимерной матрицей, в связи с чем в последние годы растет число работ, направленных на изучение возможностей применения данного вида наполнителя в разработке различных видов ПКМ [10].

Рисунок 1. Микроструктура исследуемых образцов: А — исходный ПЭНД; Б — ПЭНД+ 10 % окси-ПАН

Отходы или шлам шлифовки стекла образуются при конечной обработке продукции стекольной промышленности с целью обеспечения безопасной эксплуатации изделий из стекла, а также для улучшения их эстетического вида. Шлифовка и полировка стекла производятся с использованием воды и абразивных порошков, содержащих в своем составе частицы корунда и других очень твердых минералов. Ежегодно на типовом предприятии по производству стекла образуется порядка 60 т/год шлама шлифовки стекла. По компонентному составу шлам шлифовки стекла представлен следующими соединениями: SiO2–73,55 %; Al2O3–1,12 %; Fe2O3–0,15 %; CaO — 10,12 %; MgO — 2,45 %; Na2O — 11,99 %; K2O — 0,41 %; SO3–0,21 % [16], то есть близок к обычному стеклу. В связи с этим можно предположить, что процессы взаимодействия частиц шлама с полимерной матрицей будут иметь схожий характер с процессами взаимодействия наполнителя и матрицы в стеклонаполненных композитах.

Данный вид отходов может быть использован в качестве альтернативы силикатным модификаторам ударной прочности ПКМ, таким как кварцевый песок, полевой шпат, нефелин, плавленый или микрокристаллический кварц [15, 16]. Такие силикатные наполнители получают путем дробления и рассеивания по фракциям исходного минерального или неорганического сырья. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к модификаторам или наполнителям, используемым при создании ПКМ, силикатные материалы проходят несколько стадий обработки. При этом данные процессы обработки, такие как плавление, дробление и разделение по фракциям, имеют значительную энергоемкость. Кроме того, для их осуществления необходимы значительные капиталовложения на оборудование, материалы и трудовые ресурсы. Все это несомненно, отражается на себестоимости силикатных наполнителей, а также на конечной стоимости получаемых композитов.

В отличие от этих материалов шлам шлифовки и полировки стекла изначально является дисперсным материалом, содержащим в том числе очень твердые компоненты, такие как корунд (оксид алюминия). Будучи дисперсным, материал не требует дополнительных подготовительных операций, что может значительно снизить себестоимость получаемой с его добавлением продукции.

Как показали исследования, проведенные на базе лабораторий СГТУ им Ю. А. Гагарина, наблюдается улучшение деформационно-прочностных характеристик ПКМ при добавлении в них наполнителя отходов окси-ПАН. При повышении содержания волокнистого наполнителя увеличивается прочность композитов. Так, при содержании отходов окси-ПАН 10 % прочность на разрыв увеличилась в 1,8 раза, а нагрузка на прокол соответственно — на 105 Н.

Добавление наполнителя также повышает устойчивость ПКМ к воздействию ультрафиолетового излучения. Так, при 10 % содержании отходов окси-ПАН потеря прочности композитов на основе ПЭНД после 400 часов облучения ультрафиолетовым излучением снижается на 8 % от исходного значения.

Литература:

1. Дмитриев И. И. Геосинтетические материалы в дорожном строительстве [Текст] / И. И. Дмитриев // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2016. — № 10 (49). — С. 35–58.
2. Косиченко Ю. М. Развитие исследований в области применения новых материалов для противофильтрационных целей [Текст] / Ю. М. Косиченко // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. — 2015. — № 2(58). — С. 21–27.
3. Sanjay K. Sh., Jian-Hua Y. Fundamentals of Geosynthetic Engineering [Текст] / Sanjay K. Sh., Jian-Hua Y. — London: Taylor & Francis Group, — 2006. — c. 410.
4. ОДМ 218.2.047–2014. Методика оценки долговечности геосинтетических материалов, используемых в дорожном строительстве — Москва: Федеральное дорожное агентство (РОСАВТОДОР), 2014. — 73 с.
5. ОДМ 218.5.006–2010 Рекомендации по методикам испытаний геосинтетических материалов в зависимости от области их применения в дорожной отрасли. — Москва: Федеральное дорожное агентство (РОСАВТОДОР), 2010. — 140 с.
6. Методические указания компании. Единые технические требования. Геосинтетические материалы. № П1–01.04 М-0045. — Москва: ПАО «НК «Роснефть», 2010. — 140 с.
7. Москалев О. Ю., Янковский Л. В., Кокодеева Н. Е. Анализ существующих подходов и нормативной документации в области применения геосинтетических материалов в дорожных конструкциях [Текст] / О. Ю. Москалев, Л. В. Янковский, Н. Е. Кокодеева // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2015. — № 1 (37). — С. 80–87.
8. Robert K. Geotextiles: From Design to Applications [Текст] / Robert K. — Cambridge: Woodhead Publishing, — 2016. — c. 642.
9. Azza M. E., Nasser M. S., Amany G. S. Assessment of geogrids in gravel roads under cyclicloading [Текст] / Azza M. E., Nasser M. S., Amany G. S. // Alexandria Engineering Journal. — 2017. — № 56. — p.p. 319–326.
10. Моругова О. А. Структурные особенности и комплексная оценка свойств отходов окси-ПАН и полимерматричных композитов на их основе [Текст]: дис… канд. тех. наук: 05.17.06: / Моругова Ольга Александровна. — Саратов, 2016. — 215 с.
11. Устинова Т. П. Современные тенденции в области создания полимерматричных композиционных материалов с прогнозируемым комплексом свойств [Текст] / Т. П. Устинова // Вестник СГТУ. — 2011. — № 4. Выпуск 3. — С. 228–233.
12. Полегуев Р. А., Глебов Н. С., Столяров О. Н. Механические повреждения геосинтетических материалов при установке [Текст] / Р. А. Полегуев, Н. С. Глебов, О. Н. Столяров // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2017. — № 12(63). — С. 97–112.
13. Николаева И. П., Огородов Л. И., Красиков С. В. Ползучесть полиэтилена высокой прочности при различных режимах нагружения [Текст] / И. П. Николаева, Л. И. Огородов, С. В. Красиков // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2014. — № 12(27). — С. 49–63.
14. Логинова И. И., Артамонова Д. А., Столяров О. Н., Мельников Б. Е. Влияние структуры на вязкоупругие свойства геосинтетических материалов [Текст] / И. И. Логинова, Д. А. Артамонова, О. Н. Столяров, Б. Е. Мельников // Инженерно-строительный журнал. — 2015. — № 4. — С. 11–18.
15. Кучеренко, Е. В. Отходы минерального стекла — эффективный наполнитель полиэфирной матрицы / Е. В. Кучеренко, С. В. Арзамасцев, А. С. Щербаков // Техническое регулирование в транспортном строительстве. — 2018. — № 5(31). — С. 54–57.
16. Шишковец, М. М. Шибека Л. М. Анализ направлений использования отходов производства стекла, [Текст] Минск: БГТУ, 2015.- ил., табл. Новейшие достижения в области инновационного развития в химической промышленности и производстве строительных материалов, Минск: БГТУ, 2015, С. 132–135